磁约束装置等离子体与壁的相互作用

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Why hydrogen recycling must be reduced
higher H factor due to lower recycling
•
石墨中因多孔而 吸附的H2和H2O， CO和CO2气体以及 石墨中因H粒子的 化学溅射而产生 的挥发性CHx等参 与再循环，使得 燃料粒子的再循 环有可能大于1
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石墨材料的发展：掺杂及功能镀层
低化学溅射，抗RES，高热通量炭基复合材料 成为过去十年的研究重点 炭材料内部改性（添加B，Si，Ti，V，Zr， Ni，W或其炭化物等）； 表面涂层（B4C，SiC，TiC，W等）； 高导热率石墨和CFC复合材料； 石墨（CFC材料）和铜热沉的连接技术及其 性能评价。 HT7/EAST： 掺杂石墨
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RF－Plasma production
Partial pressure (×
• Resonant lays inside VV Enough E Suitable filling pressure
Pa)
Before ICRF wall conditioning
4 3.5 3 2.5 2 1.5 1 0.5 0
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石墨的化学溅射
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炭材料的化学腐蚀行为
• 在炭材料表面通常存在一些不饱和的炭原子，它们没有 处于石墨晶体六角网状体系中，而是处在炭网格的端面 处，我们通常称之为活性点部位 • 这些活性点部位通常容易和轰击的H+形成炭氢化合物， 这些炭氢化合物与炭材料的结合能较低，容易被溅射出 来或热脱附出来，形成化学溅射 • 化学溅射和轰击粒子的能量，粒子束密度，材料的表面 温度，材料本身的性质如晶体结构等有很大关系，并受 到材料中存在杂质的影响； • 炭材料的晶体结构越完整，活性点部位的数量越少，在 低温下的化学溅射产额就会降低，因为低温下的主要产 物是甲烷基，CH3的溅射域值很低，大约为2eV。
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炭材料的化学腐蚀行为
• 随温度升高至400K，炭材料的热化学腐蚀开始变得明 显，此时的主要产物是CH4，还有一些大分子；CH4分 子在高温下获得能量后从炭材料中脱出来。 • 随温度进一步升高至600K以上，轰击粒子间互相结合 成为H2，这也是导致炭材料在800K出现溅射峰值的主 要原因。 • 如果炭材料中存在着一些杂质原子，这些杂质原子往 往改变了石墨晶体中炭原子间的电子结构，如B原子， 屏蔽了一些活性点部位，可大幅度降低化学腐蚀；杂 质还可起到催化脱出氢的作用，从另一方面降低了化 学溅射。
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等离子体与壁相互作用中的基本问题
• 壁处理：除去杂质（Z>2，特别是氧）、 降底氢的再循环。 • 面对等离子体的材料低Z（主要是碳、铍） 材料、高Z材料：W、Mo。 • Erosion and redeposition; • 氚及灰的滞留和去除； • 中子辐照
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壁处理的目的
• 1、降底杂质:Pr=ne∑nzLz(Te), ni=ne- ∑nzZ 重杂质含量小于0.02%，轻杂质控制在2-3%以下, C<5%, O<3% • 2、控制再循环 • 3、屏蔽金属（来自第一壁）杂质 • 4、去除C/D复合涂层
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几个较为重要的概念
• 物理溅射：入射粒子+固体原子-自由原子 E=（m1+m2)2 W0 /4m1m2 • 化学溅射：入射粒子与碳结合成挥发分子。主 要发生在碳材料中。如H、O与C结合成CH或CO等 • 辐射增强升华 (Radiation enhanced sublimation)；T>1500C • 热升华； • 再循环； • 解吸和起弧.
• Metal gettering • C Coating • B Coating • Li Coating • Si Coating • Real-time coating Between shots, during shot
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聚变用面对等离子体材料问题的提出
磁约束核聚变堆所面临的新材料的要求是非常具有挑战 性的 聚变研究初期的材料问题 大型托卡马克试验研究的材料问题 改善等离子体参数 杂质和密度极限问题 下一代聚变装臵的材料问题 特征：高功率加热和长脉冲运行 壁材料和等离子体间的相互作用 传热问题 材料的结构和性能稳定性问题 使用寿命问题
面对等离子体材料的研究现状
限制器、抽气限制器、各态历经偏滤器(磁限制器); 偏滤器、抽气偏滤器；
不锈钢、W、Mo、Graphite、Be、CFC、CFC+高Z （W，Mo，V，为反应堆做准备）；
目前的研究认为：高Z材料往将来聚变堆方向发展可能更有前途。
面对等离子体材料的侯选材料及其优缺点
Be 优点 -与等离子体的相容性（低 Z） -无化学溅射 -相对较高热导值 -可原位修复 -强的吸氧能力 -低活性 -低熔点 -使用寿命短 -耐中子辐照能力低 -800℃以上耐氧化性差 -有毒性，需安全措施 -尘埃易爆 CBM -低 Z 值（积累了大量经验） -优良的热冲击性（特别是 CFC 材料） -低破裂腐蚀率 -高热导率 -作为高热通量部件可以用 作限制器及偏滤器材料 -氚储存量大 -辐照增强升华 -低的抗氧化性 -中子辐照后热导降低（但通 过退火可部分恢复） -需一定焙烧和清洗技术 -与铜热沉连接时的热膨胀 时失配较大 -尘埃易爆 W -可原位修复 -可承受高热应力 -物理溅射域值高， 没 有化学腐蚀（H+） -高熔点 -高热导 -低的氚储存和肿胀 -中子辐照后发脆 -高的辐射性 -高 Z （等离子体中可 容许浓度低） -在大的聚变装置中 缺乏大量使用数据 -差的加工性 -与铜热沉连接时的 热膨胀时失配较大 -尘埃易爆
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磁约束装臵 等离子体与壁的相互作用(I)
李建刚 2008.01.05-12
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内容
• • • • • • • • • 基本概念和图像； 基本问题； 壁处理； 石墨材料； 目前该领域的前沿问题 稳态运行下的重要问题 下一代装臵的新问题 ITER PSI问题 EAST PSI 及近期重点
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基本概念
• PMI过程一方面会造成PFM的损伤；另一方面 会给等离子体引入杂质，此外还将对燃料粒子 的再循环产生影响。
• 损伤机制：
溅射；蒸发；解吸；起弧；背散射；表面起泡； 腐蚀；氢在晶界处析出等；中子辐照引起的体 损伤等
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面对等离子体材料和等离子体间的相 互作用非常复杂
第一是器壁（或更一般的面向等离子体 物质材料）中放出的各种粒子（包括 所吸附的工作气体、杂质气体和组成 材料本身的元素）进入等离子体约束 区后对等离子体约束特性造成的影响； 第二是物质材料本身受等离子体中粒子 长期作用后的损伤。
缺点
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聚变装臵用石墨材料研究进展
1970’s后期，PLT装臵第一次使用石墨限制器 起因：PLT采用NBI辅助加热系统； 限制器：起初用W为限制器，但在高功率和低的等离 子体密度情形下，获得了很高的边缘等离子体温度和 功率密度，引发W的溅射，辐射损失大； 改进：用石墨限制器替代了W限制器，结果获得了巨 大成功。主要原因在于石墨材料属于低Z材料，辐射 损失小；表面过热时只会升华，而不熔化。
Particle Removing
RGA ICRF Cleaning Under the different RF Power
0.00005
Partial Pressure (Pa)
0.00004
M/e=28 M/e=44 M/e=16 M/e=18
Power off P = 30kw
P = 20kw
0.00003
P=5kw P= 10kw
0.00002
0.00001
0.00000 0 10 20 30 40 50 60
Time (s)
2000
1600
P (TorrL)
1200
H2O CO H2
800
400
0 0 40 80 120 160 200
t (min.)
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壁处理的方法－II 镀膜
从此，炭材料成为核聚变装臵中限制器和偏滤器设计时 优先考虑的材料
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聚变装臵用石墨材料研究进展
到80年代中期许多托卡马克装臵在运行时都采用石墨 限制器或偏滤器板 与此同时，实验室中针对石墨材料的测试和模拟开始 广泛进行，旨在阐明石墨与氢等离子体的化学反应 炭的化学腐蚀和RES行为； 中子辐照下炭材料的一些性能和结构变化； 炭与氢的同位素的共沉积行为； 目前炭材料仍然是世界范围内大型托卡马克的主要面 对等离子体材料 除了作为限制器和偏滤器，炭材料还在扩大其使用 范围，如覆盖整个真空壁 象TFTR，DIII-D，JT-60U，Tore Supra，ASDEX-U （现在在发展高Z的W）等采用全炭壁。
50
Pa)
Mass number (m/e) After ICRF wall conditioning
8
4
6 4
2 3 19 18
2 0 0 10
20
28
20
30
40
50
Mass number (m/e)
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The cleaning efficiency is independent to RF frequency Weakly related to BT Pulsed mode is used The optimized RF power is used to remove different particles H2: 5~10 kw H2O: 12~15kW CO: 15~20 kW CO2: 20~35 kw The filling pressure in the range of 0.02~0.3 Pa is favorable
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氧杂质问题
• 在石墨限制器中，氧起着特殊的作用。当高能氧离 子先滞留在植入区，直到每个碳原子+约0.25个氧 原子，而后它以CO和CO2的形态再发射，其产额接 近1。 • 这些分子不都是以热能的形式释放，而显示有 一约0.25eV的快成份。在主等离子体中有较高的穿 透几率，在吸解和电离后，CO和CO2成为等离子体 碳杂质和氧杂质源。 • 氧离子轰击碳形成CO和CO2差不多为1的产额及 其挥发性意味着：在碳壁装臵中氧以接近于1的再 循环系数再循环。
18
19 17 3
28
Partial pressure (×
• Te: He 4~10eV H2 2~5eV • Ti :H2: 0.5~ 2keV, D2: 0.3~0.5 keV high tail up to 30keV • ne~ 0.5 ~ 3x1017m-3
2
4
16
46
0
10
20
30
40
掺杂石墨的抗RES行为
• 抑制辐照升华现象的发生，主要是在炭材料中引入一些掺杂元素， 如硼，硅，钛；这些元素能够在炭原子扩散至表面以前将这种晶隙 间炭原子俘获生成一种稳定的炭化物，从而有效地降低了炭原子的 有效扩散系数，则可降低RES。 • 研究发现RES依赖于掺杂成分，掺杂浓度，掺杂石墨的微观结构。 RES随着掺杂组元浓度的增加而降低；Si掺杂石墨和Ti掺杂石墨的抗 RES行为要好于硼化石墨。 • 对不同种类和组成的掺杂石墨考察后发现，含13.8%B的硼化石墨及 含5.0%Ti的掺钛石墨具有最好的抗RES性能：在1800K，与纯石墨相 比，这两种石墨的RES产额分别降低2倍和4倍；与热解石墨相比， RES产额降低3倍到5倍。 • 掺杂石墨的RES行为还与掺杂粒子的大小有很大关系，USB15的RES溅 射值要比GB20的还要小，主要原因就是B4C粒子很细（粒径小于1微 米）。 启示：对于偏滤器或限制器材料，可以考虑主要是Si，Ti掺杂。原 因主要是两方面：Si，Ti掺杂石墨可以获得比较高的热导率；另一 方面就是偏滤器或限制器运行温度较高，炭的腐蚀主要取决于RES。
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壁处理的方法－I 清洗
• 烘烤：100-350C，去除装臵中的水。 • GDC: H2(He),0.2-2kV, 1-5A, E=eV,去除 装臵中的去氧、碳等轻杂质。 • TDC: 高频率的短脉冲等离子体放电，去 除装臵中的去氧、碳等轻杂质。 • 射频清洗（ECR,ICR)：在有磁场的情况下， 利用离子回旋共振产生等离子体，去除装 臵中的去氧、碳等轻杂质。
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壁附近最基本分布图像
边界氢分布
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基Leabharlann Baidu图像及过程
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边缘等离子体和其周围壁的相互作用将对 等离子体芯部产生重要的影响
• 边缘等离子体是热绝缘层，同时控制杂质进 入到等离子体芯部； • 壁受很强的热负荷以及来自芯部粒子的轰击， 材料腐蚀及杂质产生； • 氢的再循环过程的控制及对等离子体密度控 制的影响； • 在热和粒子作用下材料性能的稳定及使用安 全性/微观结构的变化 • 中子辐照后材料活化及变性